局域网与城域网：第四章 局域网和城域网

第四章局域网和城域网12/12/202214.1局域网概述广域网：1、覆盖范围大2、中间穿过公共设施，利用了电信线路3、包含互连起来的交换节点4、电路交换和分组交换技术12/12/202224.1局域网概述局域网1、覆盖范围小：最长传播延时已知2、局域网通常为某个组织单独拥有.3、局域网内部传输率高。4、传统LAN采用广播网络技术5、后来出现了交换LAN4、城域网和局域网的基本技术类似。12/12/202234.1局域网概述网络链路：包括点到点链路和广播链路。点到点链路：链路的两端各有一个单一的发送者和接受者，PPP和HDLC协议。广播链路中：多个发送和接收站点连接到同一个共享广播信道上MAC协议：决定广播链路中信道分配的协议媒体访问控制MAC协议。12/12/202244.2局域网参考模型12/12/202254.2局域网参考模型物理层：信号编码、同步、比特的收发传输媒体和拓扑结构的说明数据链路层：帧同步管理和控制对传输媒体的访问为高层协议提供相应的接口SAP12/12/202264.2.2拓扑结构1,总线/树型结构总线：使用多点(multipoint)媒体，端接器吸收信号，移出总线树型：一个无回路的带分支的电缆根为头端（headend）任何一个站点传送的信息被其他所有站点接收，端接器来消除媒体上的帧。图4.312/12/202274.2.2拓扑结构2,环形拓扑一组转发器,转发器间通过点到点的连接构成闭合环路.数据单向传输，源站点负责把帧移走3,星形拓扑站点与公共的中心节点连接中心节点以广播方式：总线结构中心节点进行帧交换12/12/202284.2.2拓扑结构传输媒体和拓扑的选择不是孤立的总线最灵活、环形吞吐量高、星形易布线12/12/202294.2.3IEEE802标准IEEE802委员会制定的标准被ISO采用为ISO8802要求基于芯片和超大规模集成电路(VLSI)的解决方案IEEE802参考模型p127图4.4支持多种拓扑结构、传输媒体、MAC技术IEEE802委员会组成结构：表4.212/12/2022104.2.4逻辑链路控制LLC子层LLC子层负责两个节点间的的PDU的传输中间无中继交换:链路是共享链路,支持多个站点访问，并且没有主节点.LLC子层和MAC子层协同工作.12/12/2022114.2.4逻辑链路控制LLC子层LLC协议为高层用户提供站点编址机制.实质是基于HDLC协议。提供三种服务:无确认无连接：无流量控制和差错控制有连接：建立一条逻辑连接有确认无连接：连接带来开销帧的确认机制12/12/2022124.2.5媒体访问控制MAC子层

MAC层提供控制传输媒体访问的机制,使访问有序.参数:

控制位置控制方式12/12/2022134.2.5媒体访问控制MAC子层控制位置1,集中式选择某个节点,它可以授权访问网络2,分布式所有节点平等地参与决定传输顺序12/12/2022144.2.5媒体访问控制MAC子层集中式的优点:1,可以提供高级功能,如优先级控制.2,单个节点的访问逻辑简单.3,没有分布合作,可靠性好.缺点:1,网络依赖控制节点.2,控制节点会成为性能瓶颈.分布式控制的优缺点相反.12/12/2022154.2.5媒体访问控制MAC子层访问控制技术：同步：TDM、FDM异步：动态分配信道时间片轮转*：tokenpassing多个站点传输，集中/分布预约*：站点传输是连续的，集中/分布DQDB竞争*：突发性，分布式CSMA/CD12/12/2022164.2.5媒体访问控制MAC子层MAC帧通用格式MAC检测错误并丢弃出错的帧LLC进行差错控制MAC控制目的MAC地址源MAC地址LLC数据CRC12/12/2022174.3CSMA/CD和IEEE802.3载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD),是在总线/树形和星型拓扑中应用最广泛的媒体访问控制技术.技术特点：随机访问：站点传输是随机的竞争技术：为访问权而竞争用于分组无线网的ALOHA协议是最早的协议12/12/2022184.3.1ALOHA技术协议思想:1,站点有数据就立即传输.2,在最大来回传播时间内监听. <1>,有确认,传输成功. <2>,没有确认,重发.协议的关键是会同时使用信道时产生冲突12/12/2022194.3.1ALOHA技术:效率假设:1,用户的行为符合普阿松分布.有无限多个用户.2,每个帧传输时间相等T.3,T时间内,用户产生S个新帧.(0<S<1)4,T时间内,用户发送G个帧（新帧＋重传帧）.G>=S12/12/2022204.3.1ALOHA技术:效率阴影帧在什么条件下可以不受任何损害而安全到达？

TT

冲突危险区12/12/2022214.3.1ALOHA技术:效率系统如果处在平衡状态下: S=G*P0在冲突危险区域内发送的帧不会产生冲突的概率为冲突区域内产生0帧的概率又Pk=GK*e-G/k!所以 S=G*e-2GG=0.5时,S最大等于0.1812/12/2022224.3.1改进的ALOHA技术改进：分槽ALOHA

增加时槽的概念.

一个时槽等于发送一个帧的最长时间.

站点只有在时槽开始时可以发送帧.只有同一时槽开始进行传输帧才产生冲突冲突的危险区减少一半,效率提高一倍,到0.36.12/12/2022234.3.1载波监听多路访问CSMA局域网的特性：与帧传输时间相比，传播时间比较短站点能够马上知道其他站点的传输CSMA：先听后说LBT站点监听媒体,只有媒体空闲才可以发送数据.降低冲突概率.仍然有可能多个站点同时开始发送数据,这时各个站点收不到确认,各自重发.2τT12/12/2022244.3.1CSMA重发策略媒体忙时，站点的等待策略：

0坚持策略随机等待一段时间,再发送.1坚持策略继续监听，等媒体空闲立即重发.P坚持策略：重负载下NP<1媒体空闲时,以概率P发送,1-P延迟一个时槽.媒体忙，则继续监听直到信道空闲12/12/2022254.3.2载波监听多路访问/冲突检测CSMA由于只发不听,所以要到最大回路延迟后才能够知道发送是否成功,大量的信道容量倍浪费.CSMA/CD边发边听,能够立即知道正在发送的数据是否被干扰.12/12/2022264.3.2CSMA/CD1,媒体空闲,传输.否则,监听一直等待,直到媒体空闲，并立即传输2,传输过程中监听到冲突,发出信号通知所有站点停止发送.3,发出通知信号后,随机等待一段时间,回到1.检测冲突的时间：2倍端到端传播延迟：时槽长度2τAB检测到冲突发生12/12/202227在包括IEEE802.3局域网在内的决大多数的CSMA/CD系统有一条非常重要的原则：帧必须足够长以使冲突能在帧传输完毕前被检测到。

12/12/2022284.3.3二进制指数退避算法1-坚持方式：时间分割成时槽,每个时槽（512比特时间)51.2s第一次冲突发生后,等待0或1个时槽尝试发送第i次冲突,等待的时槽数从0到2i-1中随机选取.10次冲突后,随机等待最大槽数固定为1023次.16次冲突后，放弃传输，报告错误没有遇到冲突的站点更有机会获得访问权12/12/202229帧格式64比特的前导开始：前面7个字节为10101010。该字段用于“唤醒”接收者，接收者利用它与发送方的时钟进行同步。最后一个字节为10101011，“提醒”接收者帧的开始用户数据最长为1500字节，同时以太网限制每个帧中从目的地址字段到检验和字段的长度最小为64字节

12/12/202230限制每个帧中从长度字段结束到检验和字段开始的长度最小为46字节：考虑一个2500米的以太网配置，两个站点间最多有四个转发器，把传输媒体的传播延迟和转发器处的转发延迟考虑在一起，IEEE802.3认为端到端的传播延迟最多为51.2微秒，而传输速率为10Mbps，也就是帧的最小帧长限制为512比特，以太网帧中的目的地址、源地址、类型和检验和字段占去了18字节，所以携带的数据最少为46字节（368比特）。12/12/2022314.3.4IEEE802.312/12/202232IEEE802.3实际的以太网布线工程中遵循的5-4-3原则:5指任意两个站点间最多有5个以太网网段，4指任意两个站点间最多有4个转发器，3表示任意两个站点间最多有3个网段有站点相连，也就是说如果两个站点间有5个以太网网段，并不是所有的网段都可以连接站点，有些网段只是用来扩展网络的距离。12/12/202233802.3特点：时间片轮转*：tokenpassing预约*：DQDB竞争*：CSMA/CDCSMA/CD:冲突检测:帧的传输时间必须大于冲突检测时间:最小帧长限制512bit坚持策略:1-坚持恢复策略:二进制指数退避12/12/2022344.4令牌总线和IEEE802.4802.3协议不能保证对每个站点公平,不能保证最长等待时间.因此不能应用于工厂自动化和实时系统中.802.4提出了令牌总线网,既有802.3的可靠性,又有环网能确知最坏情况的特性.12/12/2022354.4.1令牌总线局域网逻辑上,令牌总线所有站点组成一个环,每个站点按次序分配一个逻辑地址.每个站点记录前面站点和后面站点.令牌绕逻辑环传送,只有令牌持有者才有权力发送数据.102030405060逻辑环（站点20、40不在环中）图3.4令牌总线配置（图中总线上站点按物理地址排序，标准中并未如此规定）12/12/2022364.4.2令牌总线控制令牌总线MAC协议十分复杂,至少下列功能:1,环初始化2,插入环3,退出环4,恢复环12/12/2022374.4.2环初始化网络没有令牌,开始环初始化过程:发出一个申请令牌帧CLAIM-TOKEN帧没有人来竞争,产生令牌,建立一个环有竞争,比较申请令牌帧的数据字段长度来解决冲突:CLAIM-TOKEN帧的长度根据其地址的头两位的值设置为“响应窗口”(时槽时间)的0/2/4/6倍发完之后如果监听到媒体上还有别的站点来发送,放弃申请令牌否则按照地址的下一个两位来继续竞争….12/12/2022384.4.2插入环令牌持有者周期性发送征求后继站帧SOLIT_SUCCESSOR帧,来询问要加入环的站点.发送SOLIT_SUCCESSOR后,等待一个响应窗口时间来允许新站加入环中,如果没有新站加入继续其他操作.如果有一个站点响应(置后继站帧),该站点被插入环中,并且成为当前令牌持有者后继站点,并把令牌传递给它.12/12/2022394.4.2插入环如果有多个站点要求插入.令牌持有者发出解决竞争RESOLVE_CONTENTION帧并且等待4个响应窗口.每个请求者按照自身地址前2位选择等待的响应窗口数:等待相应的响应窗口,如果之前有站点发送,则放弃令牌持有者收到有效响应后,该新站成为后继站点,被插入环否则根据下一个2位重复RESOLVE_CONTENTION过程.过程持续直到收到一个有效的置后继帧,没有响应,或者直到最后两个比特为止.12/12/2022404.4.2插入环新站的请求不会影响令牌的轮转时间每个站点都会计算令牌循环一周的时间如果通信量太大,不允许新站进环每次只允许一个站点入环12/12/2022414.4.2环删除站点在持有令牌时,能够从环中删除自身.站点向其前方站点发送置后继站帧来更新后继站点记录,然后把令牌传递给后继站点.12/12/2022424.4.2环恢复一个或者多个站点一段时间内没有监测到环活动就可以发出CLAIM_TOKEN帧发起环初始化过程.令牌传递过程中令牌恢复:令牌传递之后监测一段时间,看后继站点是否活跃不活跃,再递交一次仍然失败,则发送WHO-FOLLOWS帧,以把出错站点从环中移走上一步骤仍然失败,发送SOLICT_SUCCESSOR_2,重建环令牌持有者故障,令牌丢失,开始环初始化过程发现多个令牌则丢弃一个,直到最后只剩一个或者没有12/12/2022434.4.2令牌总线优先级算法优先级分4级0、2、4、6,其中6级为最高优先级.THT令牌拥有时间,一个站点拥有令牌发送第6级数据的最大时间.TRTi

第i(4,2,0)优先级的令牌轮转时间.12/12/2022444.4.2令牌总线优先级算法令牌持有者按照下列算法发送数据:THT时间内发送第6级数据.发送完第6级数据后,如果上次令牌轮转时间小于TRT4,发送第4级数据.发送完第4级数据后,如果上次令牌轮转时间小于TRT2,发送第2级数据.发送完第2级数据后,如果上次令牌轮转时间小于TRT0,发送第0级数据.12/12/2022454.4.3IEEE802.4标准物理媒体采用宽带同轴电缆三种模拟调制技术:相位连续频移键控紧凑相位频移键控多级双二进制调幅相移键控12/12/2022464.5TokenRing环接口站无方向环(a)(b)(c)1比特延迟环接口到站上去自站上来到站上去自站上来图3.6（a）环网；（b）侦听模式；（c）发送模式12/12/2022474.5TokenRing令牌环中，当所有的站点都空闲时，一种特殊的比特格式（令牌）总是在绕环运行。当一个站点想发送一帧时，它必须抓住令牌，并在传输帧之前将令牌从环中删除。12/12/2022484.5TokenRing线路中心:旁路中继器旁路,站点从环中移走改善网络的可靠性和可维护性站点电缆旁路中继器线路中心接头12/12/2022494.5TokenRingMAC环必须容纳一个完整的令牌:比特的“物理长度”

:200/R米（p.143）环本身必须有足够的时延来容纳一个完整的令牌在环内流通。每站中确定的1比特时延信号传播时延

3Kmring,prom=200m/us,1Mbps,20station环上插入人工延迟以保证环能够容纳令牌

12/12/2022504.5TokenRingMAC怎样抓获令牌?3字节的令牌就不停地在环网上转，等待某个站点将其抓获。将令牌中的某个特定位由0变为1，从而将令牌改造成一个数据帧的起始序列。得到令牌后，站点填写并发送组成数据帧的余下字段部分。

12/12/2022514.5TokenRingMAC帧的递交的确认机制比特绕环一周回来，发送者将它们从环中移去,传输完数据帧后产生令牌帧的数据字段长度没有限制帧状态字段:(p.146第三段：AC=00/10/11)A:AccessBitC:CopyBit12/12/2022524.5TokenRingMAC令牌持有时间:THT(default10ms)站点没有数据发送或者再发送另一帧将超过令牌持有时间时，站点将重新产生一个3字节的令牌并置于环中。令牌轮转时间TRT:

12/12/2022534.5TokenRingMAC优先级机制。在令牌和数据帧中包含两个字段：优先级字段(3位)和预约字段(3位)环中的令牌也有一定的优先级n每个站点发送的帧都分配一个优先级，站点只有当有比当前令牌的优先级相同或者更高的数据帧时才能抓住令牌12/12/2022544.5TokenRingMAC令牌的优先级如何改变?预约机制站点X想要传输一优先级为n的数据帧:发现经过数据帧的预约字段比n低，站点将这个数据帧的预约字段置为n，表示预约优先级为n的令牌；发现预约字段比站点的优先级高，就不作任何动作。经过令牌帧的预约字段比n低,该字段改变为n.持有令牌站点释放令牌时把优先级提升为n。优先级提高的站点X有责任在传输完成后把优先级降到原先的水平。12/12/202255站点准备发送一个帧:优先级一个令牌经过,并且优先级比站点优先级低或相等:抓住令牌12/12/202256令牌优先级高,或者数据帧经过,进行预约12/12/202257站点传输完,产生一个新的令牌:提升优先级或者不提升12/12/202258站点看到一个它提升的令牌,降低优先级12/12/2022594.5TokenRingMAC例：p149图4.12A向B发帧,优先级为0.D设置预约字段为3A提升令牌优先级为3,记录原来优先级0令牌被D抓获,传输数据帧,优先级为3D释放令牌,优先级字段为收到的令牌优先级A发现了一个优先级为3的令牌,有责任降低优先级,截获令牌A产生一个等于它提升以前的优先级0的令牌12/12/2022604.5TokenRing令牌环的维护:监控站保证环只有一个令牌选取监控站:竞争机制来产生:高地址优先监控站的功能:令牌丢失:最长无令牌时间混淆帧:检验和字段无主帧:监控位环长度:人工延迟环断开时:站点发送BEACON帧,并且尽量传播12/12/2022614.5TokenRing早释令牌ETR(EarlyTokenRelease)站点发出数据帧,在帧传输完时,该帧的第一个比特可能会:已回到发送站点:还没有回到发送站点:这一段时间必须等待ETR允许站点完成传输后马上释放令牌:先发送令牌,然后检查预约字段…..12/12/2022624.5.3IEEE802.5传输媒体为双绞线,4Mbps/16Mbps差分曼彻斯特编码帧格式中利用了违例编码法

字节1112或62或6无限制411

SDACFC目的地址源地址LLCDATAFCSEDFS

SD＝

起始定界符

AC＝

访问控制:PPPTMRRR:T(Type)M(monitor) FC＝

帧控制

FCS＝

帧检验序列

ED＝

结束定界符

FS＝

帧状态:A/C12/12/2022634.5.3IEEE802.5令牌总线分布式控制协议更加复杂令牌环监控站来维护令牌监控站出现故障时,有时很难觉察到12/12/2022644.6无线局域网：IEEE802.11什么是无线局域网？有线LAN的扩充或者替代技术移动性和连接性（mobilityandconnectivity）无线局域网的基本特性：覆盖一定范围、全连接、广播支持电池容量有限噪声的干扰、安全、多个无线局域网的干扰漫游服务网络的动态配置：站点动态加入、退出、移动12/12/2022654.6.2IEEE802.11参考模型基本服务集BSS：所有站点利用相同MAC协议来访问同一个共享的传输媒体访问点AP：通过AP连接到有线LAN扩展服务集ESS：两个或多个BSS，组成一个单一的逻辑上的局域网。站点的移动特性来分：无移动、BSS转移、ESS转移Ad-HocNetwork：一个分割开来的IBSS，Peer-to-Peer通信12/12/202266分布式系统服务器扩展服务集站点站点访问点基本服务集站点站点访问点基本服务集站点图4.14IEEE802.11体系结构12/12/2022674.6.2IEEE802.11参考模型无线局域网的传输技术：红外线：无法穿越不透明物体窄带微波:采用特定的频率，和电话类似，通过采用不同的频率来保证隐私和不受干扰。

扩展频谱：牺牲带宽来换取可靠性、完整性和安全。跳频（Frequency-Hopping）直接序列（Direct-Sequence）12/12/2022684.6.2IEEE802.11参考模型Instrumentation,Scientific,andMedical(ISM)902-928MHz/2.4-2.483GHz/5.15-5.35GHz/5.725-5.875GHz.IEEE802.11的物理层:2.4GHz跳频1Mbps2Mbps直接序列1Mbps/2Mbps5.5/11Mbps漫射红外diffuseinfrared802.11-a：正交频分复用技术OFDM

调制，5GHz

6/12/24Mbps，可选9/18/36/48/54Mbps802.11-b:5.5/11Mbps,2.4GHz802.11g:54Mbpsinthe2.4GHzband12/12/202269

radiomodem：frequencybandsignallingratemodulationtransmittedpowerSNRanddB

MACController

packetformat

channelaccessmechanisms

networkmanagementon-boardmemory12/12/202270分布式协调功能（DCF）物理层点协调功能（PCF）竞争服务无竞争服务MAC层图4.15IEEE802.11协议结构12/12/2022714.6.3IEEE802.11:MACDFWMAC：DistributedFoundationWirelessLANDistributedMode:CSMA/CACoordinatedMode:PollingMAClevelretransmissions/RTS/CTS和fragmentation.CSMA/CA：CSMA/CD：以太网能够在传输的时候检测冲突而对无线站点，相比其他站点来的信号而言，传输信号非常强包括两个部分：listenbeforetalkcontention12/12/2022724.6.3IEEE802.11:MACCSMA/CA：首先监听信道，如果空闲，等待一个IFS间隔后看是否信道仍然空闲，如空闲，发送如果信道忙，等待直到传输结束，然后开始冲突避免阶段冲突避免：传输完成后继续等待IFS间隔，如果信道仍然忙则进行二进制指数退避，等待一段时间后，继续监听信道，如果信道空闲，竞争成功，传输帧其他站点继续监听直到传输完成进行下一次竞争12/12/2022734.6.3IEEE802.11:MAC站点通过不同InterFrameSpaces(IFS)提供4种优先级SIFS-ShortInterFrameSpace

PIFS-PointCoordinationIFS

DIFS-DistributedIFS

EIFS-ExtendedIFS

IFS定义了站点检测到媒体空闲必须等待的最短时间，站点采用的IFS越短，优先级越高如果出现冲突，则采用指数退避算法，以保证重负载下的稳定性12/12/2022744.6.3IEEE802.11:MACMAC帧的重传机制：站点收到一个帧后，等待一个SIFS间隔后发一个ACK。冲突恢复LLCPDU分解成多个MACPDURTS/CTS：HiddenNode问题发送者仅仅根据本地信息来判断接收者是否空闲handshaking

:站点在发送数据前发送RTS，等待CTS，收到CTS表示接收者接收到RTS，因而也可以接收数据收到RTS的站点等待，直到超时或者看到CTS帧轮询响应：PollResponse12/12/2022754.6.3IEEE802.11:MACPCF:PointCoordinationFunction

一种极端的方法：要求实时传输的站点有PCF控制对媒体的访问PCF发送一个轮询帧，被轮询站点利用SIFS响应如果收到响应，用PIFS发送下一个轮询否则等待超时结束再发出一个轮询其他站点通过CSMA/CA机制来竞争超级帧：超级帧分成两个部分，前面的时间间隔内PCF单元用来进行轮询，而后面的部分用于站点竞争对媒体的访问超级帧结束后，PCF必须利用PIFS来获取对媒体的控制，如果忙，则必须等到媒体空闲，这样超级帧的时间就会被减少12/12/2022764.8局域网性能一个重要的参数:a=传播时间/传输时间

媒体长度：Bd/V对于局域网来说：a的范围0.01~0.1简单的局域网模型：N个站点，传播延迟为a，传输延迟为1每个站点总是有帧在等待传输12/12/2022774.8.1令牌环性能分析环的活动包括两个部分：获得令牌，数据传输，传递令牌a<1时开始传输帧tt+a回到发送者t+1帧传输完令牌传递下一站点:a/Na>1时开始传输帧tt+1帧传输完t+a帧回到发送者